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星期天晚上袭击密苏里州乔普林大部分地区的龙卷风几乎没有发出预警。 尽管当天大部分时间都在更广泛的区域发布了龙卷风观察预警，但一些当地居民只有短短 20 分钟的通知，得知一场最终将蔓延至四分之三英里的龙卷风即将袭击他们。
由于计算能力的提高，气象学家可以同时运行多个天气计算机模拟，风暴观察预警的发布科学取得了重大进展。 但是，驱动雷暴——以及随后的龙卷风——形成的局部条件仍然难以预测。
大众科学 采访了国家气象局风暴预测中心的预警协调气象学家格雷格·卡宾，以更好地了解龙卷风预测的挑战。
[以下是采访的编辑稿。]
关于龙卷风预测的科学现状如何？
我们在风暴预测中心处理的是，我们不发布警告，我们发布观察预警。 在过去几年中，我们在更大范围的预测方面取得了一些进展。 我们无法在单个龙卷风发生前数小时发出提前预警，但我们可以在[有利]条件[形成风暴]建立之前数天发出提前预警。 就像我们在四月份在阿拉巴马州和密西西比州发生的广泛龙卷风中看到的那样，我们在五天前就发布了一个大的展望，圈出了从阿肯色州和路易斯安那州到田纳西州的各州，并将这些地区标为发生严重风暴的风险较高。 我们预测多个州情景的能力得到了提高。
当您缩小到龙卷风事件的规模时，您正在处理可能覆盖 5 到 10 公里空间的雷暴的实际形成。 这是难以捉摸的部分。 它的规模太小了。 在这种规模下，我们不完全了解龙卷风如何形成，甚至不了解雷暴如何形成，然后龙卷风如何从雷暴中形成的所有物理原理。
我们如何做出这些预测？
在乔普林龙卷风的案例中，可能有长达 30 分钟的预警时间。 龙卷风预报中存在一个关键阈值：风暴形成之前和之后。 一旦单个风暴形成，鉴于我们对周围环境的了解，我们预测的能力就会大大提高。 当您谈论 13 分钟、15 分钟、20 分钟或 30 分钟的提前预警时间时，只有当风暴出现在雷达上时才有可能。 在风暴实际形成之前，这是不可能的。
国家气象局系统在全国设有 120 个办事处，配备高度精密的 Doppler 雷达和气象学家，他们观看雷达来解释风暴的危险性。 但在实际雷暴形成之前，龙卷风威胁的不确定性要高得多，我们只能在更大的区域和更长的时间跨度内解决。
哪些技术使更大规模预测的这些进步成为可能？
自雷达以来，气象学中最具革命性的方面是集合预报——预测未来几天大气状态的模型。 二十年前，我们有少数几个计算机模型，最多可以预测到五天后的半球尺度。 可能只有两三个模型可供选择……现在，借助集合和计算技术的进步，我们可以同时运行许多模型——一次 20 个，并且作为气象学家，第一次不仅可以深入了解未来的预测，还可以了解预测的置信度。 我们可以开始谈论比其他[大气]模式更可预测的模式。 我们对这个预测比另一个预测更有信心。
大气层并不总是具有相同的可预测性。 有些模式比其他模式更可预测。 集合可以给您一个很大的范围，或者解决方案可以聚集在一起。 如果您看到聚集，您就会对特定情景更有信心，因为模型似乎都同意。 现在，更多时候，存在很大的范围。 仍然存在不确定性的困境。 但您可以开始说，我对这种模式比对那种模式更有信心。
我们需要做出哪些改进才能实现更好的局部龙卷风预测？
这一切都归结为处理非线性，这是我们经常看到大气表现得像的那样。 大气是非线性的——它是动态的，它依赖于初始条件，并且在某种程度上是不可预测的……温度是大气中的一个变量，我们可以非常准确地测量它。 我们了解所涉及的过程。 龙卷风是完全不同的动物。 它们的形成与初始条件有关——环境如何结合在一起，我们不了解其中的某些方面。 “蝴蝶效应”[看似微不足道的扰动导致大规模影响] 绝对适用于这种环境。
我们将永远无法获得大气变量和测量所需的解析度，以实现某种完美的预测。 这是不可能的……我们或许可以获得，比如说，龙卷风发生前一小时的提前预警时间。 在那个领域，在风暴实际形成之前，我们正在运行我们称之为风暴尺度模型的模型。 我们在集合中运行它们。 即使这样，我们也无法提供确定性预报。 我们可以给出某个区域可能发生某种情况的概率。
我们已经在观察预警和展望方面这样做了，例如在 25 英里区域内发生龙卷风的可能性为 20%。……我们正在朝着风暴尺度集合方向发展，以更好地了解龙卷风雷暴在小于州但大于县的区域内形成的潜力。
具体来说，我们不理解哪些因素使得龙卷风预测如此困难？
我们不理解大气中的正反馈和负反馈机制……有太多的细微调整，细微的调整，可能会对您最终是否形成风暴产生巨大影响。 大气对龙卷风形成要素的敏感性以及放大我们甚至无法观察到的微小变化可能会对预报产生巨大影响。
关键要素是什么？
恶劣天气的基本要素是水分含量[和]不稳定，这意味着温度变化[大气层较高或较低]，例如高空空气比地面空气冷。 基本上，问题是如果您位移地面的气团，它会继续上升还是[它会]冷却并掉落？ 稳定的气氛[意味着]上升的空气会回落。 然后是抬升或上升，通常在大范围内，但在小范围内也是如此。 然后，对于龙卷风或有组织的恶劣天气，存在风切变——风速和/或方向随高度变化。 看到高空风速较高并不罕见，但风速的特性以及随高度的变化在风暴持续、旋转并产生龙卷风和冰雹的能力中起着作用。
我从小在密苏里州长大时听到的老建议是，如果您看到绿色的天空或如果风从两个方向吹来，就躲起来——是真的吗？
如果您看到绿色的天空，风暴几乎就在您眼前； 从那里预测，这就是我们所说的“傻瓜气象学”。 如果天空是绿色的，则高空有大量水分和雨水或冰雹。 要保持高空的水和冰雹量，需要非常强的上升气流。 附近有一个强烈的雷暴，将大量的水和冰雹保持在空中。 如果有强烈的上升气流，那么您离强烈的下降气流不远了。
龙卷风，如果它要发生，就会发生在上升气流和下降气流的界面，即快速上升的空气和快速下沉的空气……与下降空气相关的冷空气与前方上升的空气交界面——这是一个大气中潜在旋转的区域。 您将水平面中存在的潜在旋转变为垂直方向——这就像花样滑冰运动员的经典角动量。 通过将快速旋转的空气向上拉并聚集在一起，它将旋转得更快。 这就是龙卷风形成的动态。
我们是否看到更大的龙卷风、更强的风暴的形成？
如果我们是，我也无法告诉您。 长期记录既不够长，质量也不够高，无法让我们对此做出判断。 它实际上只可以追溯到 1950 年，或者也许我们可以将数据汇总到 1800 年代。 但随着时间的推移，报告的龙卷风越来越少，因为周围的人越来越少。 长期记录的质量不是很好，也不够长，无法让我们说出来。
请记住，这些都是极端、罕见的事件。 返回频率的时间长度是如此之长，以至于您需要非常长的记录才能说出现在的龙卷风比以前更强烈或更猛烈。
为了给您举一个短期记录的例子，就在过去两个月，[我们经历了]四月份龙卷风数量非常多。 如果四月份很忙，那么五月份可能会保持忙碌，因为五月是龙卷风最活跃的月份。 [但是]我们遇到了相反的情况。 我们进入五月的前三周，几乎没有任何龙卷风。 我们可以说，四月份的活动与五月份发生的事情之间没有相关性。 我们不能将其用作预测工具。 这只是这场游戏的本质，并指出了我们谈到的关于龙卷风预报的气象学的潜在非线性。
龙卷风是否与任何更大的大气模式相关，例如拉尼娜现象？
我昨天刚在网站上发布了一个图表，自 1950 年以来的每日龙卷风数量。……如果您查看厄尔尼诺现象和拉尼娜现象，则相关性不是很高，尽管三月和四月的拉尼娜现象模式可能更有利于更严重的恶劣天气活动。 同样在中性年份，当我们在拉尼娜现象和厄尔尼诺现象之间过渡时，我们处于一个将支持高于正常水平的风暴活动的体制中……厄尔尼诺现象往往对恶劣天气不利……它不像我希望的那样容易或清晰。